Processamento dos materiais cer

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Processamento dos materiais cerâmicos
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Aspersão Térmica - Recobrimentos com materiais
cerâmicos

• Plasma Se caracteriza por uma nuvem de gás
  ionizado, resultado da passagem de gás por campo
  elétrico de altíssima intensidade.
• As partículas podem atingir velocidades de até
  300 m/s, com temperaturas entre 13.000 e 30.000 K

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Aspersão Térmica - Recobrimentos com materiais
cerâmicos

• HVOF (High Velocity Oxigen Fuel) Ocorre a queima
  do combustível com o oxigênio dentro de uma
  câmara na pistola de aspersão. Os combustíveis
  mais comumente empregados são o querosene e o
  hidrogênio.
• Devido a elevada pressão dentro da câmara a
  velocidade da chama pode chegar a velocidade do
  som. As partículas de material em estado pastoso
  atingem velocidades da ordem de 2000 m/s. As
  temperaturas, no entanto ficam menores 2600 C com
  querosene como combustível.

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Aspersão Térmica pelo método HVOF
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Ferro fundido nodular recoberto com zircônia
ZrO2
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Processamento dos materiais cerâmicos Principais
etapas
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Matéria prima básica Pós cerâmicos

• Alguns pós são obtidos na natureza
• Al2O3 - Bauxita
• MgO - Água do mar
• Outros são sintetizados em laboratório.
• SiC Reação química entre SiO2 e o coque a 2200
  C (processo Acheson)
• Si3N4 Sintetizado a partir da reação do silício
  em pó com o nitrogênio entre 1200 e 1400 C

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Fatores de influência

• Pureza Quanto mais puro maior a resistência
  mecânica, mas principalmente melhora
  propriedades elétricas, óticas, magnéticas e
  outras
• Tamanho das partículas
• Quanto menor o tamanho melhor. Normalmente menor
  que 1µm para cerâmicas avançadas.
• Em geral se utiliza vários tamanhos de partículas
  pois isso conduz à um cerâmico com menor
  porosidade a verde (porosidade a verde
  porosidade depois da compactação mas antes da
  sinterização)
• Ex 1 Tamanho de partículas 30 de porosidade a
  verde
• 2 Tamanhos de partículas 26 de
  porosidade a verde
• 3 Tamanhos de partículas 23 de
  porosidade a verde

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Influência do tamanho das partículas na
porosidade final

• Quanto menor o tamanho das partículas maior a
  reatividade entre elas (maior superfície total a
  ser eliminada na sinterização) reduzindo a
  temperatura e o tempo necessários na
  sinterização e a porosidade final do cerâmico.

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Influência da porosidade a verde na porosidade
final e no tamanho de grão do material cerâmico
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Classificação dos pós

• PeneirasColocadas em série podem classificar pós
  com até 400/500 mesh

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Classificadores por ar classifica parículas
entre 40 e 400 mesh.
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Redutores dos tamanhos de partícula

• Moinho de bolas

• Moinho de atrito

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Moinho de bolas
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Aditivos Produtos adicionados aos pós cerâmicos

• Principais
• Ligantes Conferem plastificação e resistência a
  verde após a conformação.
• Plastificantes Modificam os ligantes conferindo
  maior fluidez (capacidade de preencher o molde)
• Lubrificantes Reduzem o atrito entre partículas
  e o atrito entre as partículas e as paredes do
  molde.

• Outros aditivos
• Defloculante
• Agente anti-estática
• Estabilizador de espumas
• Fungicida
• Auxiliar de sinterização
• Agente molhante
• Agente anti-espumas
• Etc...

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Aglomerados esféricos de pós, contendo um nível
uniforme de aditivos
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Exemplos de ligantes
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Alguns plastificantes e lubrificantes usuais

• Pressão de ejeção do material cerâmico após
  compactação em função do teor de lubrificante na
  mistura.

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Exemplos de aditivos
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Conformação Processos de compactação na forma
desejada

• Quantidade de pó Razão de compactação de 21. A
  esquerda peça compactada a direita quantidade de
  pó requerida

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Conformação Processos de compactação na forma
desejada

• Prensagem
• Uniaxial a frio Atuação do êmbolo é em apenas um
  sentido
• Ocorrem variações de densidade ao longo da peça
  cerâmica.

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Prensagem uniaxial a frio automatizada ou seriada
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Prensagem uniaxial automatizada ou seriada
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• Variação de densidade em uma peça prensada
  uniaxialmente devido ao atrito partícula
  partícula e partícula parede do molde

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• Prensagem
• Isostática Aplica-se pressão em várias direções
• Densidade bastante uniforme no corpo do material
  cerâmico

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Prensagem isostática a frio pode ser em meio seco
ou meio líquido

• Em meio seco ( Capa elastoméricaPoliuretano,
  isoprene borracha butílica, nitrílica, PVC
  siliconas)

• Em meio líquido (H2O, glicerina, óleos)

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Características da Prensagem isostática
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Etapas de fabricação de um sensor de oxigênio de
zircônia feito por prensagem isostática em meio
seco
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Prensagem a quente (Hot Pressing)

• Pressão uniaxial e temperatura são aplicados
  simultaneamente, logo se realiza a compactação e
  a sinterização ao mesmo tempo.
• Moldes e equipamentos são caros.
• Ex Grafita (maior T maior resistência mecânica)
• Se a grafita pode reagir com a carga é recoberta
  com BN (nitreto de boro)
• Ligas refratárias (Tântalo molibdênio)
• Ligas refratárias recobertas com MoSi2 silicieto
  de molibdênio e Al2O3

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Equipamento de prensagem a quente (HP)
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Prensagem Isostática a quente (Hot Isostátic
Pressing)

• Prensagem em múltiplas direções na temperatura de
  sinterização
• Moldes Al2O3 , T até 1200 C e de SiC T até 1400
  C

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Equipamentos para Prensagem Isostática a quente
(Hot Isostatic pressing)
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Colagem (casting) usado em geral no processamento
de cerâmica tradicional

• Moldes são de gesso
• Usa-se uma mistura de água e pós chamada de
  BARBOTINA
• CONVENCIONAL (ao lado).
• Sob-pressão
• Sob-vácuo
• Centrífuga (moldes giram)

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Processo de colagem
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Preparação da barbotina pesagem dos pós e mistura
com água
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Moldes de gesso
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(No Transcript)
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Após a colagem secagem antes da queima
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Colagem em fita (tape casting)

• Substratos cerâmicos para componentes eletrônicos
  e circuitos integrados.
• Uma mistura cerâmica é espalhada (juntamente com
  um ligante) em uma superfície móvel de teflon,
  celofane, acetato de celulose
• Até uma espessura controlada por uma lâmina. A
  fita é flexível pela presença do ligante podendo
  ser enrolada em bobinas antes de ir para a
  sinterização

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Colagem em fita (tape casting)
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Moldagem extrusão para cerâmica tradicional
de seção constante

• Processamento cerâmico onde o material,
  juntamente com aditivos (ligantes plastificantes
  lubrificantes e outros) é forçado a passar por
  uma matriz.
• Extrusora de pistão
• Extrusora de rosca
• Compostos cerâmicos que já contenham argilas não
  necessitam de aditivos.
• Aplicados em produtos cerâmicos com seção
  transversal constante (tubos por ex.)

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Extrusora de rosca a esquerda e formas típicas de
produtos fabricados por extrusão a direita
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Moldagem por injeção (Injection molding)

• A mistura de cerâmicos e aditivos é aquecida
  (plastificante funde mistura fica plástica)
  passando por uma pré-compactação para reduzir a
  porosidade e após é injetado em um molde.
• Aplicado para formas complexas.

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Sinterização - Densificação

• Processo de ligação entre as partículas por
  difusão de átomos entre elas acompanhada de uma
  remoção de poros entre as partículas e de uma
  diminuição de volume.
• Volume reduz em aproximadamente 50
• Sempre realizada em altas temperaturas para
  acelerar o processo difusional.

• Mecanismo de união
• Calor aumenta a difusão entre as partículas.
• Redução da energia de superfície pela redução da
  área exposta entre as partículas de pó que se
  unem no processo
• Temperatura correta de sinterização para o Si3N4
  1750 C
• Quando se utiliza 1650 resta muita porosidade
• Quando se utiliza 1850 há muito crescimento de
  grão.

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Sinterização - Densificação

• Estágios da sinterização
• Primeiro estágio
• Rearranjo leve movimento de rotação das
  partículas adjacentes para aumentar os pontos de
  contato
• Formação do pescoço Difusão nos pontos de
  contato
• Segundo estágio
• Crescimento do pescoço os tamanhos dos pontos de
  contato cresce e a porosidade decresce.
• Crescimento de grão Partículas maiores agora
  chamadas de grão crescem consumindo os grãos
  menores.
• Terceiro estágio
• Sinterização final Remoção final da porosidade
  por difusão de vazios ao longo dos contornos de
  grão

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Sinterização - Densificação
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• Secagem para remoção da água 100 º C
• Remoção dos ligantes 200 a 300ºC ou mais altas
  para alguns hidrocarbonetos.
• Calcinação retirada de gases (CO CO2 SO2 )
  impurezas como C e S reagem com o oxigênio do ar
  e podem ficar presas devido a primeira camada
  sinterizada não permitir a saída desses gases

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Efeito na peça da ausência da etapa de calcinação
prévia a sinterização
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Redução de volume em um rotor de turbina feito de
SiC compactado por injeção, após a sinterização
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Fotografia do MEV (microscópio eletrônico de
varredura)
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Sinterização em fase líquida

• Cerâmicas que tenham silício nas suas
  composições, podem formar uma fase vítria,
  durante a sinterização, quando esse elemento se
  combina com os aditivos incorporados á mistura
  cerâmica. Essa fase vítria fica plástica nas
  temperaturas de sinterização eliminando grande
  parte da porosidade residual. No entanto a
  resistência à fluência cai muito nesses
  compostos, pois essa massa plástica cede pela
  presença de pequena carga quando a temperatura é
  alta.
• Si3N4 e SiC são exemplos de cerâmicos avançadas
  que podem receber aditivos de sinterização (MgO
  Al2O3 Y2O3- óxido de Itrio) para criar
  silicatos (vidros) nos contornos de grão durante
  a sinterização que ficam pastosos e reduzem a
  porosidade. Nas porcelanas (cerâmica tradicional
  tambem forma uma fase vitria durante a queima)

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Efeito da fase vítria no processo de
sinterização nesses casos o tempo e as
temperaturas são menores que na sinterização em
fase sólida
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(No Transcript)